CN1026192C - 激光精密测量物体直线度装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明激光精密测量物体直线度的装置及其测量方法，提出了一种用激光精密测量大尺寸物体直线度的新方法及其装置，本装置以激光做光源，以光栅、晶体片及对称的两面反射镜经反射后再次衍射然后干涉的独特原理构成测量系统。主要由激光头和光电检测系统，平面反射镜及其精密调节系统，光栅、晶体片及其调节系统。电子数据处理和显示系统，数字打印和五大部分组成，是一种大尺寸物体实时、自动、高效、高分辨、高精度测量直线度的装置及其测试方法。

Description

本发明激光精密测量物体直线度装置及其测量方法，属于物理技术部测量测试仪器装置及其测量技术的范畴。具体来讲就是一种主要用来测量物体直线度尤其是大尺寸物体直线度的精密清量仪器装置及其测量方法。

当前国内外测量物体直线度的仪器装置和测量方法一般有准直望远镜、激光准直仪、双频激光干涉仪和单频激光干涉仪等，但都因精度不高，使用不便，耗费时间，测量范围有限和无法克服外界干扰影响，设备复杂，价格昂贵等缺陷不便推广使用，尤其对于大尺寸物体直线度的高效率，高精度，自动化，高分辨测量一直难以实现。

据US-A-3891321、US-A-3756723、US-A-3738753、US-A-3790284和US-A-3726595报导的测量物体位移和直线度的仪器装置其共同点是光学系统复杂，所用激光器昂贵，所测物体范围有限，一般限制在3m范围内，而且精度不高，制造难度也大，如其中US-A-3738753报导的一种主要用来测量物体位移的装置它由条纹很密的全息光栅和价格昂贵的He-Ne激光器及反射装置使用非对称反射镜，调整使用不便，直接影响了测量装置的推广使用。

本发明的目的在于克服现有测量物体直线度的仪器装置和测量方法中存在的缺陷，并且开创性地利用光栅衍射并经反射后再次衍射的光学原理构思，从而提供一种具有独特测量系统、精度高、结构简单、使用方便、效率高、测量范围大，尤其是能够解决大尺寸物体直线度测量问题的一种高自动化、高分辨率的激光精密测量仪器装置及其测量方法。

附图说明

图1，是本发明激光精密测量物体直线度装置及其测量示意图，用虚线粗略地表示了本装置的五大部分，概要地体现了本发明的主要构思。

图2，是本发明激光精密测量物体直线度装置的第一部分激光头和光电检测系统方框图。

图3，是本发明激光精密测量物体直线度装置的第二部分平面反射镜及其精密调节系统示意图。

图4，是本发明第二部分平面反射镜调节系统的微动调节示意图。

图5是本发明第一部分激光头和光电检测系统中的光电检测盒示意图。

图6是本发明第三部分光栅、晶体片及安装盒示意图，其中晶体盒左端盖51，右端盖53，调节螺钉52有三只，光栅座为54，晶体盒为56。

图7是本发明第三部分光栅晶体片及其精密调节系统中的精密调节架结构示意图。

图8是本发明第三部分光栅晶体片及其精密调节系统中的精密调节架微动头结构示意图，固定板为61，微动筒体为62，微动套筒为63。

图9是本发明第一部分中的前置放大器电路原理图。

本发明激光精密测量物体直线度的装置是一种以激光做光源，以光栅、晶体片及对称的两面反射镜经反射后再次衍射然后干涉的独特测量系统构成，并且应用对称衍射光束干涉及晶体偏振效应给出以光栅常数为单位的测量数字通过电子仪器处理和显示测量结果的精密测量装置。本装置由激光头和光电检测系统、平面反射镜及其精密调节系统、光栅晶体片及其调节系统、电子数据处理和显示系统、数字打印机五大部分组成。（如图1所示）其中第一部分激光头和光电检测系统由He-Ne激光器1，倒置望远镜2、分束器3、全反介质膜4、干涉滤光片5、格兰付科棱镜6、光电池对7、前置放大器8（如图2所示）组成，并放入一个箱子中，（如图2所示）它们的中心线都在一个平面内，离箱子底面的距离都相等，其中He-Ne激光器1输出TEM₀₀模，功率在毫瓦数量级，光电池对7中的每一个硅光电池的受光面积设计为大于或等于1cm²，响应时间为20微秒，两只硅光电池性能参数一致，尤其是光电转换效率相近，即配对使用，在前置放大器8电路板外加了一个防止干扰的金属屏蔽罩;其第二部分平面反射镜及其精密调节系统，主要由两面完全对称的反射镜16和精密调节系统组成（如图3、4所示）两个平面镜在空间能高精度调节，每面镜子有一付水平、一付垂直粗调和细调装置，倾角调节分辨率为0.6″，两平面反射镜16对称置于一个箱子中，其第三部分光栅、晶体片及其精密微调系统。主要由光栅18、晶体片19及其安装盒（如附图6所示）和精密微调架（如附图7所示）组成，其安装盒（图6）内放置一块衍射光栅和一块石英晶体片，其精密微调架（图7）为常平式结构，其第四部电子数据处理和显示系统17，它由电子细分部分9、控制部分10、显示部分11组成，其中电子细分部分9采用并联电阻移相桥整形电路，控制部分10包括可逆计数器12和方向判别器13，其显示部分11由四位十进制可逆计数器级联而成，与七段译码器14之间增加有4D触发器15;其第五部分数字打印机22是一种集成化通用记录仪器。

上述激光精密测量物体直线度装置中第一部分的干涉滤光片5，格兰一付科棱镜6，光电池对7放入光电检测盒中，其光电检测盒结构（如图5所示）其棱镜室49、棱镜室前壳48、棱镜室后壳50、调节圈47及锁块36等都是为固定和调节检测盒中的光学元件而设置的。

上述激光精密测量物体直线度装置的第二部分平面反射镜及其精密调节系统中的形状和质量完全相同的两面完全对称的反射镜16表面的平面度是直线度的实际量度的基准，两反射镜的轴线包含在两反射面夹角的角二等分面内，两平面镜的平面度可选取 (X)/20 平面度的平面镜，两平面镜16放进反射镜匣27中，用镜匣端盖28盖好，再放入反射镜座23中，每面反射镜的背后中心有起变换镜匣空间方位支点作用的钢球29，借助手轮31和微动套39可以进行平面镜空间位置的粗调和细调，弹簧32为调整平面镜而设置装在平面镜背后，微动杆30上装有手轮31，上面的手轮31可微调，下面的手轮31可粗调，微调部分使用专门设计的差动螺纹，倾角调节分辨率为0.6″，其调整机构与平面镜机构通过连接板37连接，其调节座38、微动套39、差动螺套40、锁紧套34、锁紧盖圈35、锁紧块36、螺钉套管33、螺母24、垫圈25、螺钉26都是为调整机构与平面镜机构连接而设置的，（如图3所示）其平面反射镜调节系统的微动调节器采用了差动螺纹结构，M差动43，一个是粗螺纹、一个是细螺纹，粗调杆为42，定位键为44，联结轴为45，联结套筒为46通过手轮31完成粗调和微调。

上述激光精密测量物体直线度装置的第三部分精密调节架为常平式结构就是架圈具有类似于星的特征，此种调节架在两个互相垂直方向进行角度精 密调节，总倾斜度为12°倾角分辨率为7″，此调节架可用不锈钢或铝合金材料，星式常平架的主板57具有两个通孔（如图7所示）供容纳两个微动头58，有一个大孔供容纳常平架内圈59和常平架外圈60，外圈60装在主板57内侧的一个垂直轴上转动，内圈59装在外圈60内侧的水平轴上转动，两个轴的交点精确地重合于反射镜面的中心，晶体片19，光栅18等光学元件则以该点为中心转动。

上述激光精密测量物体直线度装置的第四部分中的电子细分部分9采用并联电阻移相桥和整形电路，就是适当选择移相桥电阻参数，由Sinωt，-cosωt，-sinωt，cosωt，获得滞后sinωt如下相位的信号：9°，45°，81°，117°，153°，189°，225°，261°，297°，330°，移相电路产生的10路正弦波，先通过各自的触发器变为10路方波，然后再通过各自的单稳电路变为10路窄脉冲，相应于10路正弦信号的移相，这些脉冲沿时间轴均匀排列，利用干涉条纹的相位细分技术，可把干涉条纹每变化一个级次，看做相位变化了360°，从一个干涉条纹变化中得到多个计数脉冲，其控制部分10中的可逆计数器12是累加、递减脉冲和携带正、负信息的计数器，其方向判别器13为十倍频闭环自锁式判别器。

上述激光精密测量物体直线度装置的第五部分数字打印机22可用小型数字打印机，它是一种集成化通用自动记录仪器，它可将电子数据处理系统送来的8421编码的二进制记录信号以十进制数字形式直接打印在普通白纸上。

本发明激光精密测量物体直线度的方法其特征在于以相干性好的激光器做光源，以衍射光栅、晶体片、两面对称反射镜构成光学测量系统，以光的衍射、干涉、偏振理论为基础，以前置放大电路、电子细分电路、可逆计数电路、数字显示电路等构成电子数据处理系统，以精密机械部件构成光学调整机构，以衍射光栅为运动元件，被测物体的直线度与光栅的位移精确地联系起来，携带物体不直度信息的两束相干光的干涉光强与光栅沿刻线垂直方向位移的定量关系为I（ξ）＝K.cos（4.2π/dξ）。式中I（ξ）为干涉光强，d为光栅常数，ξ为光栅沿刻线垂直方向的位移，利用光栅衍射并经两块反射镜垂直反射后再次衍射，然后进行干涉，激光通过对称衍射光栅进行衍射，产生±1级，±2级…等各级衍射光，两块平面反射镜只将±1级衍射光垂直反射回去，使其二次通过光栅，再一次衍射，二次衍射后的（+1;+1）级光和（-1;-1）级光进行干涉。此干涉光强反映出物体的直线度。其本测试方法的具体操作过程为：在测量之前，首先对被测物体的表面建立参考基准线，将激光头和两面反射镜分别放在待测物体的两端，中心高度要相同，将光栅、晶体盒放在被测物靠两端处，寻求相同的数字读数，将光栅晶体盒移到到被测物体的一端，由仪器读一个数，然后把光栅盒移到被测物体的另一端再读一个数，重复此过程，直到获得相同的数值为止，一条参考基准线就建立起来，然后将参考基准线与两平面镜的二等分面平行，将光栅放到被测物体的一端，匀速推动它，数字显示装置就将测量结果显示出来，同时可用打印机打出测量结果。大体可归纳为：（1）将激光头、光电检测系统、数字打印机放在被测物一端，将对称平面镜调节系统放在被测物另一头，将光栅、晶体盒放在滑块20上。（2）将光栅、晶体盒移到被测物的端头，由显示器读一个数字，然后后把光栅、晶体盒移到另一端再读一个数，如此重复，直到两端的读数相同为止。（3）将光栅、晶体盒放到被测物的一端，匀速推动它，从一端推到另一端数字显示装置就将测量结果显示出来，同时打印机打出结果。

本发明激光精密测量物体直线度装置及其测试方法优点在于开创性地利用光栅衍射并经反射后再次衍射的光学原理构成独特的光学测量系统，使得本测量装置及其测试方法达到精度高，使用范围大，尤其是对于大尺寸物体直线度的高精度测量最为适用，而且本装置结构简单，使用方便，自动化程度高、效率高是当前国内外测量物体直线度极好的精密测量装置和方法。

Claims (5)

1、一种激光精密测量物体直线度的装置，包括激光源、光栅、晶体片、两个平面反射镜、数据处理和显示，打印系统，其特征在于：由激光源(1)发出的激光照射到倒置望远镜(2)再经过分束器(3)照射到光栅(18)、晶体片(19)上，光栅和晶体片放在一个可调节的机械装置中，此机械装置置于被测导轨(21)上，由晶体片(19)出来的两束衍射光，分别射到两个成一定角度完全对称设置的平面镜(16)上，射至该两平面镜上的两束光被垂直返回，经晶体片(19)、光栅(18)、分束器(13)进入干涉滤光片(5)，而后进入格兰--付科棱镜(6)，由格兰--付科棱镜(6)出来的光，分别进入光电池对(7)进行光电转换，转换后的电信号经前置放大器(8)放大后进入数据处理系统(17)，数据处理系统(17)后接打印机(22)。

2、如权利要求1所述的激光精密测量物体直线度的装置，其特征在于：所述两个成一定角度完全对称的反射镜（16）在空间通过水平和垂直调节装置进行角度调节。

3、如权利要求2所述的激光精密测量物体直线度的装置，其特征在于：每个平面反射镜（16）上设有水平和垂直调节装置。

4、如权利要求1所述的激光精密测量物体直线度的装置，其特征在于：所述装有光栅（18）、晶体片（19）的机械装置相对于被测导轨（21）的空间位置是可调的。

5、一种运用权利要求1所述激光精密测量物体直线度装置的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

（a）、建立基准参考线，将激光头和两面反射镜分别放在待测物体的两端，中心高度要相同，将光栅、晶体盒放在被测物体靠两端处，寻求相同的数字读数，将光栅、晶体盒移到被测物体的一端，由仪器读一个数，将光栅、晶体盒移到被测物体的另一端再读一个数，重复此过程，直到获得相同的数值为止。

（b）、使参考基准线与两平面镜的二等分面平行。

（c）、将光栅放到被测物体的一端，匀速推动它，从一端推到另一端，数字显示装置就将测量结果显示出来，同时可用打印机打出测量结果。

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